Современные процессоры

Основные характеристики процессора: тактовая частота, разрядность, машинный язык и система команд; многоядерные процессоры; краткий обзор современных семейств процессоров - Intel x86, ARM, MIPS, AVR; отечественные процессоры "Эльбрус" и "Байкал".

Как мы уже говорили выше, компьютер состоит из большого количества электронных, а также некоторого количества механических устройств. Большинство из них предназначены либо для хранения и передачи данных (оперативная память, жёсткий диск, сетевой адаптер), либо для выполнения служебных функций (электрическое питание, охлаждение). Главной задачей компьютера является исполнение программ, и её выполняет центральный процессор. Имеющиеся в современных компьютерах другие устройства, которые могут быть достаточно интеллектуальными, например, веб-камера или звуковой адаптер, также могут обладать собственными процессорами и самостоятельно преобразовывать данные, однако функциона

Центральный процессор (Central Processing Unit, CPU) является основным модулем компьютера и предназначается для выполнения программ.

Основными характеристиками процессора являются:

ТАКТОВАЯ ЧАСТОТА ПРОЦЕССОРА

Важно, чтобы процессор и другие узлы компьютера выполняли свои действия синхронно, поскольку иначе их деятельность окажется несогласованной. Так, например, различные узлы компьютера должны "знать", когда именно в регистрах процессора или на выходе логических схем будут готовы корректные данные. Если начать считывать эти данные раньше положенного сорока (например, считывать данные на выходе описанного в предыдущем разделе сумматора, не дождавшись полного прохождения переноса), то они окажутся некорректными, и в работе ЭВМ произойдёт сбой.

Обычных часов для измерений времени с этой целью недостаточно, поскольку требуется очень высокая точность, в частности, в связи с тем, что измерять приходится небольшие промежутки времени - доли наносекунд и даже меньше. Наконец, в данном случае не требуется абсолютное время, достаточно лишь относительного - то есть требуется отвечать на вопросы типа "сколько прошло времени с момента возникновения того или иного события?", "сколько времени нужно ждать?" и т.д.

Учет времени в компьютере осуществляется специальным способом - с помощью подсчета количества тактовых импульсов, которые были сгенерированы в период от одного события до другого. Тактовые импульсы генерируются через равные промежутки времени тактовым генератором - специальной электронной схемой, встроенной в центральный процессор компьютера или его материнскую плату. Таким образом поток тактовых импульсов образует поток времени внутри компьютера.

Количество тактовых импульсов в единицу времени, генерируемых тактовым генератором, называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота измеряется в герцах (Hz).1 Hz (1 Гц) соответствует одному событию в секунду, таким образом 1 Hz =1 $c^\{-1\}$.

Тактовая частота является одна из важных характеристик процессора и компьютера в целом: чем она выше, тем больше операций процессор выполняет за единицу времени, тем выше его производительность. В силу важности этой характеристики часто говорят о тактовой частоте всего компьютера, имея в виду тактовую частоту его процессора.

Невозможно достичь значительного увеличения производительности компьютера путём простого увеличения тактовой частоты: для того, чтобы электронные схемы работали на высоких частотах, они должны быть соответствующим образом сконструированы. Однако до некоторой степени повысить тактовую частоту готового компьютера возможно - это называют "разгоном" ("overclocking") процессора. "Разгон" позволяет повысить производительность компьютера, но он требует специальных знаний и опыта для аккуратного подбора допускающих "разгон" компонент, подстройки параметров электропитания, организации дополнительного охлаждения и т.д. Подобная практика достаточно распространена, но производителями электроники она не рекомендуется, поскольку повышает риск выхода компьютера из строя.

Процессор является самым высопроизводительным модулем ЭВМ, поэтому тактовая частота, используемая для синхронизации различных блоков внутри процессора, является слишком высокой для других модулей компьютера. В частности, эта тактовая частота оказывается высокой для синхронизации взаимодействия процессора с другими модулями. Поэтому в современных ЭВМ, как правило, имеется две тактовых частоты - внутренняя и внешняя.

Внутренняя тактовая частота ЭВМ используется внутри процессора для синхронизации его блоков и составляет на сегодняшний день 1 GHz и больше.

Внешняя тактовая частота ЭВМ используется для синхронизации процессора и прочих устройств компьютера, с которыми он взаимодействует, и составляет на сегодняшний день сотни MHz.

Для ЭВМ первого поколения внутренняя тактовая частота была ограничена значением100 KHz, и это означает, что они могли совершать до 100 000 операций в секунду. Оперативная память этих компьютеров строилась на базе электромеханических реле и её быстродействие составляло всего несколько Hz, поэтому и внешняя тактовая частота ЭВМ первого поколения составляла те же самые несколько Hz. Для последующих ЭВМ, обладавших электронной оперативной памятью, внешняя и внутренняя тактовые частоты отличались уже не так значительно. Типичным было отличие в несколько раз, в отдельных случаях частоты могли совпадать. Для ЭВМ второго поколения верхняя граница внутренней тактовой частоты увеличилась до 1 MHz, что соответствовало миллиону операций в секунду. Для третьего поколения - 10 MHz и, соответственно, 10 миллионов операций в секунду. Тактовая частота современных процессоров, используемых в ЭВМ четвертого поколения, составляет до 5 GHz. Значения тактовой частоты для ряда известных процессоров приведены в таблице 8.1.

Отметим, что произвольно поднять тактовую частоту не позволяет ограничение на передачу импульсов скоростью света и невозможностью сделать размеры транзисторов и прочих полупроводниковых элементов меньше, чем размер атома.

Помимо этих ограничений неограниченно увеличивать тактовую частоту не позволяют свойства используемых полупроводников. Кремниевые диоды и транзисторы управляют прохождением электрических сигналов, меняя свою электрическую проводимость. Они делают это очень быстро, но в масштабах современной электроники отнюдь не мгновенно: изменить своё состояние они могут "всего лишь" несколько миллиардов раз в секунду. В последние годы физиками ведутся исследования, посвященные возможности замены традиционных кремниевых транзисторов на транзисторы с применением графена, ожидаемая скорость "срабатывания" которых будет в сотни раз выше. Но пока можно говорить лишь об интересных перспективах ускорения электронных схем, до внедрения новых технологий в индустрию ещё далеко.

РАЗРЯДНОСТЬ ПРОЦЕССОРА

Другой важной характеристикой процессора является его разрядность, которая определяет следующие важнейшие характеристики компьютера.

Процессор с разрядностью 64 бита и тактовой частотой 1 GHz может обработать за секунду столько же данных, сколько процессор с разрядностью 32 бита и тактовой частотой 2 GHz. Практически, все современные микропроцессоры, выпускаемые компаниями Intel и AMD, являются 64-разрядными, но для совместимости с предыдущими версиями поддерживают 32-битный режим. Совместимость процессоров означает возможность новым, 64-разпядным процессорам, исполнять старые программы, скомпилированные в 32-разрядном режиме для старых 32-разрядных процессоров.

Как и в случае с тактовой частотой, у процессора также есть внутренняя и внешняя разрядности. Внутренней разрядностью называют разрядность регистров процессора. Внешняя разрядность - это разрядность шин данных и адреса, к которым подключён процессор. У многих современных процессоров эти разрядности совпадают, но в общем случае это не всегда так. Так, например, у Intel 8086 и внутренняя, и внешняя разрядность - 16 бит, а у его более дешёвого аналога Intel 8088 внутренняя разрядность 16 бит, а внешняя - 8. Разделение внутренней и внешней разрядности позволяет конструкторам ЭВМ использовать процессор, совместимый с Intel 8086 (то есть Intel 8088 исполняет те же программы), но при этом удешевить шину данных и оперативную память, снизив их разрядность (ценой снижения пропускной способности). Ещё одним примером является процессор Intel Pentium I: внутренняя разрядность у него, как и у предыдущих процессоров семейства, составляет 32 бита, а внешняя - 64. С одной стороны, это позволило сохранить обратную совместимость с 32 битными программами, с другой - ускорить обмен данными между оперативной памятью и кэш-памятью (данные в современных процессорах загружаются не напрямую из оперативной памяти в регистры, а вначале попадают в кэш-память, о которой мы расскажем ниже).

МАШИННЫЙ ЯЗЫК И СИСТЕМА КОМАНД ПРОЦЕССОРА

Современные высокоуровневые языки программирования позволяют представлять и алгоритмы, и данные таким образом, что программист может, работая с программным кодом, продолжать мыслить в терминах исходных задач. Для процессора, который в итоге исполняет написанные программы, такой уровень абстракции недоступен. Процессор может исполнить лишь программу на машинном языке.

Машинный язык (Machine Language) процессора является способом представления программы в памяти компьютера при помощи двоичного машинного кода, который "понимается" центральным процессором, то есть может быть им выполнен. Машинный язык состоит из (i) системы команд (Instruction Set) - набора операций, которые может выполнять процессор; (ii) видов данных (различные числа, адреса и пр.), для которых определены эти операции; (iii) способа кодирования команд и данных в двоичном коде.

Система команд определяет операции, которые может выполнять процессор. Прежде всего, это часто используемые операции:

Операции ориентированы на определённые виды данных, с которыми процессор может работать. Например, это могут быть целые числа разной длины со знаком и без, вещественные числа разной точности, символьные данные, указатели. Наконец, кодирование определяет, каким образом эти операции и данные должны храниться в оперативной памяти, ведь там хранятся в итоге массивы байтов. Например, различные семейства процессоров могут по-разному упорядочивать в памяти байты у многобайтовых целых чисел - от младшего к старшему или от старшего к младшему.

Машинные языки разных семейств процессоров существенно отличаются подобно тому, как отличаются языки различных народов. Особенности естественных языков определяются средой обитания и историей их носителей, а машинных - назначением соответствующих компьютеров и преемственностью внутри семейств. Например, процессоры компьютеров семейства System/360, хоть и относятся к архитектуре фон Неймана, поддерживают, помимо двоичной, и десятичную арифметику, что важно для финансовых вычислений. Другой пример - постепенное (на протяжении более 40 лет) расширение поддержки вещественной арифметики и обработки массивов чисел в процессорах семейства Intel x86 по мере роста количества multimedia-приложений для персональных компьютеров.

МНОГОЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ

Такие фундаментальные ограничения как размер атома и скорость света, не позволяют произвольно увеличивать тактовую частоту и разрядность процессора. Сейчас увеличение производительности компьютеров, в основном, осуществляется путём распараллеливания различных операций, выполняемых процессором.

Распараллеливание означает организацию параллельной работы различных блоков процессора, а также параллельное исполнение отдельных команд или групп команд программы.

Применяются различные техники повышения производительности процессоров при помощи распараллеливания. Одной из известных популярных сейчас техник является создание многоядерных процессоров.

Многоядерный процессор (Multicore CPU) - это процессор, который позволяет одновременно (параллельно) исполнять несколько программ, используя при этом несколько ядер.

Ядро (CPU Core) является частью процессора, которая может самостоятельно декодировать прочитанные из памяти команды программы и последовательно их выполнять.

Многоядерный процессор не столько быстрее исполняет обычные (однопоточные) программы, сколько позволяет быстро исполнить несколько программ одновременно. Однако, многопоточные программы многоядерный процессор исполняет существенно быстрее, чем одноядерный, предоставляя различным потокам параллельно работающие ядра. Поэтому в тех случаях, когда необходимо повысить производительность однопоточных программ, нужно использовать параллельные алгоритмы и переписывать эти программы в многопоточном стиле.

Популярность многоядерных процессоров обусловлена их выгодными экономическими характеристиками. При производстве один многоядерный процессор стоит дешевле нескольких одноядерных процессоров с таким же суммарным количеством ядер. Причина в том, что ядро процессора - это ещё не весь процессор. Кроме ядер в процессоре имеется ещё набор блоков, осуществляющих обращение к шинам, обрабатывающих различные сигналы, кэширующих данные и т. д. Подобные блоки реализованы в многоядерном процессоре в единственном экземпляре, тогда как ядер, одновременно исполняющих разные последовательности команд, в одном процессоре может быть до нескольких десятков. Отметим, что существенно проще и дешевле выпускать однопроцессорный компьютер, чем многопроцессорный. В конечном итоге реальная потребность увеличения производительности компьютеров ценой разумного удорожания определила нынешнюю популярность именно многоядерных процессоров.

На сегодняшний день почти все процессоры, в том числе мобильные, имеют несколько вычислительных ядер. Например, у процессоров Intel Core i7, распространённых в современных персональных компьютерах, может быть 2, 4, 6 или 8 ядер, а процессор A13 современных смартфонов Apple имеет 6 ядер. Ядра мобильных процессоров могут иметь разные характеристики, например, выделяются "медленные" ядра и "быстрые" ядра. "Медленные" ядра имеют экономичное энергопотребление но относительно невысокую производительность, и процессор использует их постоянно. "Быстрые" ядра обладают высокой производительностью но потребляют много энергии, и используются процессором лишь при необходимости. Например, упомянутый выше мобильный процессор A13 имеет 6 ядер, из которых 4 являются "медленными" и 2 - "быстрыми".

КРАТКИЙ ОБЗОР НЕКОТОРЫХ СОВРЕМЕННЫХ СЕМЕЙСТВ ПРОЦЕССОРОВ

Рассмотрим следующие современные семейства процессоров:

Этот набор позволяет получить представление о различных современных процессорах, предназначенных для настольных компьютеров и мобильных устройств, для встраиваемых и телекоммуникационных систем, а также для суперкомпьютеров.

Семейство процессоров Intel x86. Процессоры данного семейства на протяжении сорока лет являются основой для комплектации компьютеров IBM PC и последующих совместимых с ними компьютеров. Данные компьютеры составляют на настоящий момент большинство персональных компьютеров на планете. Также, благодаря достаточной вычислительной мощности и богатым функциональным возможностям процессоры этого семейства часто используются при построении многопроцессорных суперкомпьютеров, используемых для высокопроизводительных научных вычислений. Основным производителем этих процессоров традиционно является компания Intel, но, помимо этой компании совместимые процессоры выпускаются также такими компаниями как AMD, Cyrix, VIA Technologies. Поэтому, строго говоря, более корректно обозначать это семейство как х86, потому что в этом случае мы будем говорить о процессорах разных производителей, не только компании Intel. Но в рамках нашего курса нам такая степень общности не требуется.

Семейство процессоров ARM. На рынке мобильных устройств в последнее десятилетие доминируют процессоры семейства ARM. Разработавшая их архитектуру в 1990-х компания Arm Holdings сама процессоров не производит, но лицензирует их производство другим компаниям - например, Qualcomm, Mediatek, NVIDIA. Архитектура ARM показала свою пригодность не только для мобильных устройств. В последние годы на базе процессоров ARM также выпускаются ноутбуки (например, Chromebook), настольные компьютеры (например, современные компьютеры Apple на основе ARM-совместимого процессора Apple M1), одноплатные компьютеры Raspberry Pi. Наконец, в Японии создан суперкомпьютер Fugaku, построенный на базе более 150 000 процессоров Fujitsu A64FX архитектуры ARM. Этот суперкомпьютер создан в Центре вычислительных наук Института физико-химических исследований в городе Коба, Япония. Он стал победителем ряда рейтингов суперкомпьютерных вычислительных систем в июне 2020 года. Официально он был введён в эксплуатацию в марте 2021 года.

Семейство процессоров MIPS было разработано в середине 1980-х в Стэнфордском университете. Сейчас их производство лицензирует компания MIPS Technologies, Inc. Как и в случае с ARM, компания, владеющая правами на архитектуру процессоров, сама не занимается их производством. Среди производителей процессоров архитектуры MIPS можно перечислить такие известные компании, как Siemens, Philips, Toshiba, NEC. Сейчас процессоры MIPS используются, преимущественно, во встраиваемых компьютерах управляющих, например, станками и лифтами, а также для оборудования вычислительных сетей - в роутерах, шлюзах и т.д. Сейчас многие производители вычислительных устройств создают свои процессоры на базе архитектуры MIPS, добавляя в них специализированные функции, например, в случае телекоммуникации - функции для обработки сигналов.

Семейство процессоров AVR. Для разработки простых устройств популярны однокристальные компьютеры семейства AVR компании Atmel. Однокристальными они называются потому, что в одной интегральной схеме (то есть на одном кристалле) содержат все устройства, необходимые для функционирования компьютера. Помимо собственно процессора, интегральная схема включает в себя несколько килобайт оперативной памяти и флэш-памяти для хранения программы, тактовый генератор, аналогово-цифровые и цифрово-аналоговые преобразователи для непосредственного соединения с датчиками и схемами управления различными устройствами. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - это электронная схема, преобразующая значение физической величины (как правило, напряжения) в цифровой вид, то есть в машинное число. Цифрово-аналоговый преобразователь (ЦАП) - электронная схема, выполняющая обратное преобразование. Например, аудиосигнал, выдаваемый звуковым адаптером - аналоговый, и генерирует его цифрово-аналоговый преобразователь, получающий на вход оцифрованный звуковой сигнал.

Однокристальные вычислительные устройства, сочетающие функции процессора и периферийных устройств, называют микроконтроллерами.

Этот термин, как и в случае с умещающимися на одном кристалле микропроцессорами, подчёркивает их "самодостаточность": фактически, для работы микроконтроллеру требуется лишь электропитание. Микроконтроллеры используются для управления материнскими платами, жесткими дисками, для управления устройств бытовой техники (микроволновые печи, холодильники, стиральные машины и пр.). Кроме компании Atmel микроконтроллеры выпускаются многими другими компаниями, например, Siemens, Microchip, Fujitsu.

Возвращаясь к микроконтроллерам AVR отметим, что они очень экономичны в потреблении электроэнергии: устройство, состоящее из микроконтроллера AVR и нескольких датчиков, может несколько месяцев работать, питаясь от трёх "пальчиковых" батареек. Существуют микроконтроллеры с ещё меньшим потреблением электроэнергии, которые могут работать несколько лет от батарейки для наручных часов.

Простота, дешевизна, "самодостаточность" и низкое энергопотребление сделали микроконтроллеры AVR популярными среди начинающих инженеров и радиолюбителей. В радио- и робототехнических кружках они часто применяются в образовательных целях.

Наконец отметим, что микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру. В случае с однокристальными компьютерами, у которых внутри процессора находится память как для машинного кода, так и для данных (то есть шин нет!), гарвардская архитектура позволяет упростить устройство.

Семейство процессоров "Эльбрус". Современные отечественные процессоры "Эльбрус" (компания-разработчик - АО "МЦСТ") нельзя отнести к тому же семейству, что и процессоры одноименных советских суперкомпьютеров, которые мы рассматривали в первых лекциях. Современные процессоры "Эльбрус" разрабатываются с начала 2000-х годов, являются многоядерными, имеют оригинальную архитектуру и систему команд. По характеристикам процессоры "Эльбрус" сопоставимы с современными процессорами семейства Intel x86. Они позиционируются как процессоры для персональных компьютеров и серверов и предназначены для военных и государственных учреждений в тех случаях, когда использование иностранных процессоров недопустимо по соображениям безопасности. Для компьютеров на базе процессоров "Эльбрус" используется несколько отечественных операционных систем, основанных на ОС Linux. Из-за очень небольшого тиража рыночная цена этих процессоров существенно превосходит цену аналогичных по характеристикам процессоров Intel x86. В случае со специальными применениями этот факт не является критичным, но это закрывает для процессоров "Эльбрус" рыночный вариант использования.

Семейство процессоров "Байкал". Отечественные процессоры "Байкал" (компания-разработчик - АО "Т-Платформы") серийно выпускаются, начиная с 2016 года. Эти процессоры входят в уже описанное выше более крупное семейство процессоров MIPS. Процессоры "Байкал" имеют производительность несколько ниже, чем у современных процессоров Intel x86, но вполне приемлемую для создания на их основе серверов и офисных настольных компьютеров. Их важной особенностью является дешевизна - они несколько дешевле, чем процессоры Intel x86. На данный момент офисные компьютеры на основе процессоров "Байкал" массово поставляются в МВД РФ. Также, в отличие от компьютеров на основе процессоров "Эльбрус", их низкая цена позволяет надеяться на хорошие рыночные перспективы.

Вопросы

Литература